Концепция виртуальной реальности

Дать точное определение термина «Виртуальная реальность» достаточно трудно (скорее всего, такого определения не существует), хотя одним из возможных определений можно считать, например, следующую словесную формулу.

Виртуальная реальность

— это семейство информационных технологий, основанных на использовании интерактивного человеко-машинного интерфейса, оказывающего на сенсорную систему человека воздействие, которое заменяет или дополняет действие естественных разражителей таким образом, что у человека создается иллюзия взаимодействия со средой, порождающей искусственные раздражители.

Интерактивность человеко-машинного интерфейса в данном определении означает наличие двунаправленной связи между человеком с компьютером, и одновременно высокую скорость реакции компьютера на изменение входных данных, позволяющую обработать эти данные и вывести результат вычислений за очень короткий интервал времени (десятые или даже сотые доли секунды). Например, для интерактивного воздействия на зрительный анализатор человека такой интервал не должен превышать 1/16 секунды (эта величина является среднестатистической и обусловлена характеристиками инерционности зрительного восприятия для центральной области сетчатки). Периферийные зоны сетчатки позволяют зрительному анализатору реагировать на движение еще быстрее (сотые доли секунды), что приводит к еще более жестким требованиям к времени реакции компьютера на изменение входных данных.

Ключевые признаки. Виртуальную реальность чаще всего связывают со зрительным восприятием, хотя зрительный канал не является единственным, по которому в ЦНС поступает информация из окружающей среды. Тем не менее, с момента появления и до настоящего времени большинство систем виртуальной реальности, предназначены для воздействия именно на зрительный анализатор, поскольку основную долю информации из окружающей среды — не менее 80-90 процентов от общего объема — человек получает через органы зрения (следом идут органы слуха и т.д.). Поэтому не случайно, что укоренился образ интерфейсного устройства системы ВР в виде наголовного стереоскопического дисплея, снабженного системой слежения за пространственным положением и ориентацией головы оператора. Вместе с тем очень часто к системам виртуальной реальности ошибочно относят системы 3D-визуализации, в которых формируется высокореалистичное изображение (в том числе стереоскопическое), но отсутствует интерактивность. В этой связи заметим, что к системам виртуальной реальности справедливо можно отнести систему стереоскопической визуализации даже простейших «проволочных» объектов, но при этом снабженную подсистемой коррекции изображения, учитывающей положению и ориентацию зрительных сенсоров (в простейшем случае — головы) человека.

Основными признаками, по которым система 3D-визуализации может быть отнесена к классу «Виртуальная реальность», являются следующие четыре:

• система снабжена двунаправленным интерфейсом (вход — координаты зрительных сенсоров, выход — изображение);
• изображение является стероскопическим;
• изображение согласовано с координатами зрительных сенсоров;
• время обновления изображения в ответ на изменение координат сенсоров не превышает 1/16 секунды.

Виды погружения. Наиболее совершенные системы виртуальной реальности позволяют реализовать, так называемое «полное погружение» в виртуальную среду, при котором сенсорная система полностью (или почти полностью) изолируется от естественных раздражителей. Термин «полное погружение» здесь весьма условен, так как, во-первых, изоляции от воздействия окружающей среды можно добиться (чаще всего частично) лишь для немногих видов органов чувств; во-вторых, на сегодняшний день удается синтезировать и подвести к органам чувств далеко не полный набор раздражителей и реализовать достаточно ограниченные диапазоны изменения характеристик раздражителей.

В последние 5-10 лет интенсивно развиваются системы так называемой усиленной и смешанной реальности (Augmented Reality и Mixed Reality). Функционирование этих систем основано на точном совмещении на сетчатке глаза изображений объектов реальной и виртуальной сред — используются либо полупрозрачные экраны (через которые видна реальная среда), либо на непрозрачном экране совмещаются изображения, полученные видеокамерами, и синтезированные компьютером. Таким образом, в системах Augmented/Mixed Reality зрительные сенсоры не изолированы полностью от реальной среды, и на них одновременно воздействуют раздражители, часть из которых имеет естественное, а часть — искусственное происхождение.

Проводятся также исследования систем виртуальной реальности еще одной разновидности, близкой по функциональным признакам к виду Augmented/Mixed Reality , но в которой реальная и виртуальная среды воздействуют на разные виды органов чувств (используются «непересекающиеся» виды восприятия). В качестве примера можно привести шлем-дисплейная систему, на мониторы которой выводится бинокулярное изображение виртуальной среды, с высокой точностью копирующую реальную, и кроме этого, имеющую высокоточную координатную привязку к реальной среде. Оператор, оснащенный такой системой, сможет передвигаться, например, внутри помещений в полной темноте, при задымлении и т.п., руководствуясь целиком искусственным изображением 3D-среды, и одновременным воздействием реальной среды на другие органы чувств.